Андрей Фокин: о поступлении на ВШОПФ, гиротронах и проекте РНФ

Летом завершился еще один сезон молодежных конкурсов Российского научного фонда, входящих в состав Президентской программы поддержки лучших российских ученых. Одним из победителей стал Андрей Фокин, научный сотрудник Института прикладной физики РАН и выпускник Высшей школы общей и прикладной физики. Сейчас он работает в лаборатории микроволновой обработки материалов, где исследует возможности для увеличения частоты гиротронов – мощных генераторов СВЧ-излучения. Однако физикой Андрей увлекается еще с детства.

Почему ты выбрал именно профессию ученого?

Мне в школе всегда нравились технические, прикладные предметы, связанные с познанием мира: физика, химия, черчение, и совершенно не нравились гуманитарные. Одно дело – читать книжку, и совершенно другое – проводить ее анализ. Поэтому сложилось так, что я решил идти в науку. Причем, информатику как вариант я даже не рассматривал: несмотря на то, что компьютер у меня появился в раннем возрасте, программированием и IT я не интересовался. Оставались различные точные науки – физика, химия, математика. Я выбрал первую, так как физика, на мой взгляд, давала понимание, как устроен мир вокруг, и предоставляла возможность его исследовать. Возможно, именно по этой причине мне всегда нравились лабораторные работы в школе.

Как ты оказался на ВШОПФе?

Мне казалось, что во время моего поступления только в Университете Лобачевского давали хорошее физическое образование. Я рассматривал Физический и Радиофизический факультеты, потом узнал от друга, что еще есть Высшая школа общей и прикладной физики. На дне открытых дверей выступали сотрудники ИПФ РАН. Стало понятно, что здесь можно получить замечательное образование в самых разных областях. Поэтому решил поступить на этот факультет.

Какие возможности тебе дал ВШОПФ?

Например, это возможность трудоустройства в один из крупных ведущих институтов. Причем оно произошло достаточно просто и безболезненно: студенты работают в Институте прикладной физики с третьего курса, пишут здесь дипломные работы и курсовые. Зачастую, на четвертом курсе они уже становятся сотрудниками какого-нибудь подразделения ИПФ РАН. Так что, после выпуска у них просто меняется должность с лаборанта-исследователя на младшего научного сотрудника, и ребята продолжают заниматься теми же задачами, что и во время обучения. Если не идти в науку, то на ВШОПФ дается замечательное образование в плане программирования. Много выпускников уходят работать в исследовательские подразделения таких компаний, как Intel, MERA. Некоторые даже создают свои.

Как ты понял, что гиротроны – это, чем ты хочешь заниматься?

На ВШОПФе есть замечательная традиция: после 4 курса студенты могут поменять тему исследования, чтобы познакомиться с разными направлениями, которыми занимаются в Институте прикладной физики, и понять, какое из них больше нравится. На втором курсе магистратуры или в аспирантуре можно вернуться к старой теме или попробовать что-то еще. У меня получилось так, что на третьем курсе я пришел в отдел электронных приборов к Михаилу Глявину, где занимался в основном численным моделированием. Мой диплом бакалавра был посвящен гиротронам. В магистратуре я перешел в отдел нелинейной и лазерной оптики к Александру Соловьеву, где работал со сверхмощным лазером PEARL, рассматривал возможности дальнейшего повышения его мощности. Однако я понял, что лазерная физика – это не совсем мое, и что исследовать электронные приборы мне гораздо интереснее. Поэтому в аспирантуре я вернулся в электронику и продолжаю ей заниматься.

После того, как ты два года занимался лазерной физикой, появились ли какие-то методы, которые тебе захотелось применить и в электронике?

Идеи есть, но пока мы о них только задумываемся. Сейчас самые мощные лазеры работают по принципу, который предложили нобелевские лауреаты Жерар Муру и Донна Стрикланд. Берется короткий импульс, растягивается во времени, усиливается, а потом снова сжимается. Если усиливать его без растягивания и сжатия, вещество может разрушиться от слишком большой интенсивности. Примерно то же самое можно попробовать сделать и в вакуумной электронике. Насколько я знаю, в гиротронах такая идея еще не была реализована.

Совсем недавно ты стал одним из победителей молодежного конкурса РНФ. В чем заключается идея твоего проекта?

Проект называется «Терагерцовые гиротроны на высоких циклотронных гармониках со сверхселективными резонаторами». Вообще, гиротрон основан на том, что электроны, вращающиеся в магнитном поле, взаимодействуют с электромагнитным полем в резонаторе – закрытом участке трубы. Наша задача – организовать условия для электронов так, чтобы они отдали максимум своей энергии полю, а потом доставить его дальше к потребителю. Проблема в том, что чем выше частота, тем сложнее организовать правильное взаимодействие частиц с полем.

Из-за того, что нет доступных магнитов с большими полями, приходится работать с гармониками. Это поля, у которых частота в кратное число раз больше, чем частота вращения электронов в магнитном поле. Из-за ограниченных размеров резонатора приходится использовать поля со сложной структурой – высокие моды, у которых много конкурентов – полей с другой поперечной структурой и частотой. И важно придумать, как обеспечить взаимодействие электронов только с нужной нам модой. Идея нашего проекта заключается в разработке резонатора со специальной вставкой, которая будет рассеивать поля конкурентов и не влиять на выбранную нами моду. Сначала мы планируем проверить методику на гиротронах с низкими частотами, а потом перенести ее на приборы, частота которых будет достигать 1 терагерца.

Где будут применяться такие источники?

Например, в спектроскопии для исследования свойств различных веществ в диапазоне частот от 1 терагерца и выше. Есть медицинские приложения, как для диагностики, так и для лечения различных заболеваний. Сейчас гиротроны используются и для технологических задач, таких как производство нанопорошков, спекание керамики, исследование свойств плазмы. Есть еще другие, может быть, немного безумные проекты. Например, разработать систему связи на ТГц частотах. Или запускать ракеты в космос при помощи тысячи гиротронов.

Почему тебя заинтересовала эта тема?

На мой взгляд, это логичное развитие гиротронов в целом, потому что с момента своего создания они непрерывно повышают частоту и мощность излучения. Сейчас подошло время, когда необходимо двигаться в терагерцовый диапазон (от 0,3 ТГц до 10 ТГц). Уже разработано большое количество источников, которые работают в диапазоне от 0,1 до 0,2 терагерц, с более высокой частотой их еще не так много. Недавно мы тестировали гиротрон с частотой 250 ГГц и получили 300 киловатт мощности, но это всего лишь 1 четверть терагерца. Поэтому хочется двигаться к более высоким частотам и посмотреть, как далеко мы сможем зайти.